JP3585512B2

JP3585512B2 - マイクロ波プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP3585512B2
Application number: JP22769793A
Authority: JP
Inventors: 清橋本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2019-11-04
Also published as: JPH0785993A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば種々の装置のイオン源等として用いられているマイクロ波プラズマ発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロ波プラズマ発生装置は、核融合のための中性粒子入射加熱装置のイオン源や、半導体装置の製造に使用されるプラズマドライエッチング装置、及びプラズマ気相成長装置等のイオン源に用いられている。そして数百Ｗ以上の大電力のマイクロ波を放電容器内に導入してプラズマを生成する装置では、導波管が用いられている。
【０００３】
以下、マイクロ波プラズマ発生装置の１つであるイオン源の従来例を図４及び図５を参照して説明する。図４は第１の例の概略構成を示す断面図であり、図５は図４の要部を拡大して示す断面図であり、図６は他の例の要部を拡大して示す断面図である。
【０００４】
図４及び図５において、１は放電容器であり、この放電容器１の上板２に形成されたマイクロ波導入口３には、図示しないマイクロ波発生部から放電容器１内にマイクロ波を、途中真空窓４を透過させて導入する導波管５の片端部が取着されている。６は放電容器１の外面に配設された永久磁石で、放電容器１内に磁場を形成する。なお、７は模式的に示す磁力線である。
【０００５】
また、放電容器１には、内部に図示しないガス導入口から所定のガスが導入されるようになっており、さらに開口した下端面に複数の引出電極を有し放電容器１から外部にイオンビームを引き出す電極部８が間に絶縁材９を設けて取り付けられている。なお電極部８の各引出電極には、放電容器１の内部に生成されたプラズマからイオンビームを引き出すために、それぞれ所定の電圧が印加される。
【０００６】
このように構成されたものでは、放電容器１の内部が減圧され、その内部にガス導入口から所定のガスが導入され、さらに導波管５を伝搬し真空窓４を透過したマイクロ波がマイクロ波導入口３から導入され、永久磁石６による磁場との相互作用でマイクロ波放電が生起されてプラズマが生成される。そして、電極部８の各引出電極に所定の電圧がそれぞれ印加されることによって外部にイオンビームが引き出される。
【０００７】
このとき、プラズマが生成されている放電容器１の内壁面近傍では、先ずプラズマ中の速度を大幅に異にする電子とイオンのうち、速度の速い電子がイオンよりも多く放電容器１の内壁に流入する。これによりプラズマはイオンが多く取り残されて、その空間電位が高くなっていく。
【０００８】
そして、プラズマの空間電位が高くなることにより放電容器１内壁への電子の流入が抑制され、この電子の流れと電位勾配が釣り合ったところで電位分布が確定し、プラズマと放電容器１の内壁との間にイオンシースが形成される。なお、１０はプラズマの電気的中和が保たれたイオンシースの始まりの位置を模式的に示しており、通常は放電容器１の内壁面から数ｍｍ程度の位置に形成される。
【０００９】
一方、導波管５は放電容器１に取着されているので同じ電位となっており、マイクロ波導入口３の近傍領域のプラズマはマイクロ波導入口３から導波管５の内部に入り込むようにして存在する。そして、この領域でのイオンシースは図５に示すようになっていて、導波管５の片端部内に入り込んだものとなっている。
【００１０】
また、導波管５の内部は永久磁石６によって磁場が形成されるものではなく、磁場が形成されたとしても弱く、このため無磁場域となっているか、あるいは弱い磁場域となっている。このような無磁場域や弱い磁場域に存在するプラズマに対してマイクロ波が入射した場合には、そのプラズマ表面近傍でマイクロ波の一部が反射されてしまう。
【００１１】
さらに導波管５の内部のプラズマの密度が増大すると、マイクロ波は全反射されカットオフ現象を起こして放電容器１の内部にマイクロ波が導入されなくなってしまう。因みにマイクロ波放電によく用いられる２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ波で、カットオフ現象を起こすプラズマのカットオフ密度は７×１０^１０ｃｍ^−３程度である。
【００１２】
このように放電容器１内に生成したプラズマが導波管５の内部に存在してマイクロ波の反射やカットオフ現象を起こすため、マイクロ波の放電容器１の内部への導入が効率よく行えず、また高いプラズマ密度とすることができない。また生成されるプラズマの密度がカットオフ密度になると、マイクロ波が全反射し導入が制限されて高いプラズマ密度とすることができず、導入パワーの大きさにも限度があることから高密度プラズマや大面積プラズマの生成は困難であった。
【００１３】
そこで、図６を要部の拡大した断面図とする他の例のごとく、プラズマが導波管５ａの内部に入り込まないように、放電容器１ａの内壁面に形成されたマイクロ波導入口３に直接真空窓４ａを設けることが行われている。しかし、このような構成のものでは、真空窓４ａが放電容器１ａ内に生成されたプラズマに直接晒され、プラズマの熱により破損してしまい易く、導入できるマイクロ波のパワーが制限され、また真空窓４ａの交換を頻繁に行う必要があり手間が掛かるものである。
【００１４】
このため、マイクロ波プラズマ装置の１つであるイオン源では放電容器１，１ａ内のプラズマの密度が高いものとすることができず、電極部８を介して外部に引き出せるイオンビームの密度を高くすることができなかった。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように放電容器内に導入する導波管の内部にプラズマが存在することにより、マイクロ波が反射され遮断されて効率よく導入できず、プラズマ密度を高いものとすることができない。さらに真空窓を放電容器の内壁に直接設けて導波管内にプラズマが存在しないようにした場合には、プラズマの熱により真空窓が破損してしまうのでマイクロ波の導入パワーの大きさが制限され、高い密度のプラズマを得ることができない。
【００１６】
このような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところはマイクロ波が効率よく導入でき、高密度プラズマや大面積プラズマが生成できるマイクロ波プラズマ装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ波プラズマ装置は、減圧された内部に所定のガスが導入されてプラズマが形成される放電容器と、この放電容器のマイクロ波導入口に片端部が取着され該放電容器内にマイクロ波を導入する導波管と、この導波管中間部のマイクロ波導入口から直視できない位置にマイクロ波の伝送路に交差するよう装着された真空窓と、放電容器内部に磁場を形成する磁場形成手段とを備え、放電容器内で形成されたプラズマからのイオンビームを真空窓とは逆の方向に導くようにしたマイクロ波プラズマ発生装置において、
導波管には、放電容器に対し絶縁部材を間に設けて電気絶縁し、異なる電位が与えられていることを特徴とするものであり、
さらに、導波管には、放電容器に対し正の電位が与えられていることを特徴とするものである。
【００１８】
【作用】
上記のように構成されたマイクロ波プラズマ装置は、マイクロ波を導入する導波管が放電容器に対し電気絶縁されており、また導波管には放電容器に対し異なる電位が与えられているものであるので、導波管内にプラズマが形成されるのが抑制され、放電容器内へのマイクロ波の導入に際してマイクロ波が反射されたり、導入が遮断されてしまったりすることがなくなる。このため導波管を介して放電容器内にマイクロ波が効率よく導入でき、高密度プラズマや大面積プラズマが生成できる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。なお、実施例として示すものは何れもマイクロ波プラズマ発生装置の１つであるイオン源である。
【００２０】
先ず、第１の実施例を図１及び図２により説明する。図１は概略構成を示す断面図であり、図２は図１の要部を拡大して示す断面図である。
図１及び図２において、放電容器１１は、その下端外周にフランジ１２を備えた下開口１３を有し、上端外周にフランジ１４を備えた上開口１５を有して形成された直径１５ｃｍ、軸方向長さ１５ｃｍの略円筒状のものである。そして、上開口１５はフランジ１４の上面にアルミナセラミック等でなる絶縁部材１６を介して上板１７が気密に取着されて閉塞され、これによって放電容器１１と上板１７とは電気的に絶縁されている。なお、放電容器１１は、その内部が図示しない排気装置によって、例えば０．１Ｐａ台に減圧され、その所定の圧力が維持されるようになっている。
【００２１】
さらに放電容器１１には、その内部にプラズマを形成する所定のガス、例えば水素あるいは重水素ガスをガス源から導入する図示しないガス導入口が設けられている。
【００２２】
また、上板１７は中央部分にマイクロ波導入口１８が形成されており、このマイクロ波導入口１８には導波管１９が、その片端部２０を放電容器１１内に開口するように取着され、一方、導波管１９の他端部は、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発生する図示しないマイクロ波発生源に接続されている。そしてマイクロ波発生源からのマイクロ波は、導波管１９内を伝搬し、マイクロ波導入口１８を通過して放電容器１１内に導入される。
【００２３】
さらに、導波管１９は、中間部の片端部側にマイクロ波の伝送路を略直角に曲げる屈曲部２１が設けられ、この屈曲部２１より他端部側のマイクロ波導入口１８から直視できない位置に、マイクロ波に対して透明な材料、例えばアルミナセラミック等でなる真空窓２２が装着されている。そして真空窓２２は、その主面が導波管１９のマイクロ波の伝送路に交差するように装着され、これにより導波管１９は片端部２０側と他端部側とが気密に分断される。
【００２４】
また放電容器１１に対し絶縁部材１６によって電気的に絶縁されている導波管１９は、０Ｖ〜８０Ｖに可変の電源２３に開閉器２４を介して接続され、開閉器２４を閉じることによって放電容器１１に対し正の電位が加えられるようになっている。
【００２５】
またさらに、上板１７には下面側周縁部に沿って環状に突起部２５が突出しており、放電容器１１の上開口１５を上板１７で閉塞した時、突起部２５と放電容器１１の上端内縁部に沿って設けられた環状の突堤部２６とが所定寸法の屈曲隙間２７を形成するようにして組み合わされ、マイクロ波に対するチョークを形成すると共に絶縁部材１６が放電容器１１内に生成されるプラズマに晒されないようになっている。
【００２６】
一方、放電容器１１の下開口１３は、フランジ１２との間に絶縁リング２８を介在させるようにして電極部２９の内側引出電極３０が取着されて閉塞されている。電極部２９は、放電容器１１に面した内側引出電極３０の他に複数の引出電極３１と、各電極３０，３１間に設けられた絶縁リング３２を有して構成されている。なお各電極３０，３１には、放電容器１１の軸方向をイオン引出方向とするようにしてイオン引出しを行なう貫通孔３３が中央部分に多数対応して形成されている。
【００２７】
そして電極部２９の内側引出電極３０と複数の各引出電極３１は、電源３４の対応する端子に接続されていて、放電容器１１の内部に生成されたプラズマからイオンビームを引き出すことができるよう、放電容器１１に対しそれぞれ所定の電圧が印加される。
【００２８】
また一方、放電容器１１の筒状部の外壁面には、磁場形成手段であるＳｍＣｏでなる円環状の２個の永久磁石３５，３６が、一つは上板１７で閉塞された上端のフランジ１４近傍に、他は下端のフランジ１２近傍に、夫々環状面を水平にするようにして軸方向上下に約９．２ｃｍの間隔をおいて配設されている。これら一対の永久磁石３５，３６は半径方向の相反する向きに着磁されており、上方側の永久磁石３５は内径側がＮ極で外径側がＳ極に、下方側の永久磁石３６は内径側がＳ極で外径側がＮ極になっている。このため、永久磁石３５，３６により放電容器１１内には磁力線３７が大きく放電容器１１内の中心軸方向に張り出すように形成される。
【００２９】
このように構成されたものでは、放電容器１１の内部が図示しない排気装置によって０．１Ｐａ台の所定の圧力となるように減圧され、この状態が維持されながら、図示しないガス導入口からプラズマを形成するガスの水素ガスまたは重水素がガス源から導入される。そして所定のガス雰囲気にした後、図示しないマイクロ波発生源から導波管１９内を、途中真空窓２２を透過して伝搬してきた２．４５ＧＨｚのマイクロ波が、放電容器１１内にマイクロ波導入口１８を通じて導入される。
【００３０】
これによりマイクロ波電界により電子を高エネルギに加速し、放電容器１１内に放電プラズマが生成される。そして励起した水素分子からＨ⁻が生成され、生成されたＨ⁻は、所定電圧が印加されている電極部２９の各電極３０，３１によって所定のエネルギとなるように貫通孔３３を通過しながら加速されて外部にＨ⁻ビームとして引き出される。
【００３１】
このとき、上述した通り導波管１９の片端部２０の内部は、真空窓２２までがマイクロ波導入口１８を介して放電容器１１内と同じガス雰囲気となっており、またマイクロ波導入口１８の近傍領域では導波管１９及び上板１７が放電容器１１に対して電気絶縁された状態にあり、開閉器２４を閉じることで正の電位が加えられている。そして、導波管１９及び上板１７が正の電位となった状態となっていて、プラズマと放電容器１１の内壁、上板１７の下面及び導波管１９との間に形成されるイオンシースは、プラズマの電気的中和が保たれた境界位置３８が図２に示すように、上板１７の下面に対しては放電容器１１の内壁よりも離れた位置にあり、またマイクロ波導入口１８では導波管１９の片端部２０内に入り込んだ形のものとなってはいない。
【００３２】
このようにプラズマは導波管１９内の無磁場域や弱い磁場域に形成されていず、強い磁場が形成された放電容器１１内に閉じ込められた状態にあるので、導波管１９からは、マイクロ波が反射により減衰されてしまったり、カットオフされることなく放電容器１１内に効率よく導入され、形成されるプラズマの密度を高いものとすることができる。同時に反射による減衰がないため、プラズマの密度を高く維持しようとして投入するマイクロ波の電力を余分に大きくしなければならない等の問題がなくなる。
【００３３】
また、真空窓２２が放電容器１１内に面するようにマイクロ波導入口１８に取り付けられているものではないため、放電容器１１内に形成されたプラズマの熱に直接晒されて破損してしまうようなことがなく、導入できるマイクロ波のパワーも大きくでき、さらに真空窓２２の交換を頻繁に行う必要がなくなって手間が掛からなくなる。
【００３４】
この結果、放電容器１１内に高密度プラズマや大面積プラズマの生成を行うことができ、電極部２９を介して外部に引き出せるＨ⁻ビームの電流も大きいものとすることができる。
【００３５】
また上記のように構成されたもので、例えば水素をプラズマを形成するガスとして放電容器１１の内部圧力を０．１６Ｐａとし、電極部２９の内側引出電極３０に＋４０Ｖの電圧を掛け、さらに導波管１９に正の電位を与えるようにした状態で１．１ｋＷの２．４５ＧＨｚのマイクロ波を放電容器１１内に導入してプラズマを生成したところ、導入に際しての反射はほとんど０で、導波管１９の正の電位が大きくなるにしたがってプラズマ密度が高くなった。そして、導波管１９の正の電位が３０Ｖのときプラズマ密度は最高となって１０^１１〜１０^１２ｃｍ^−３台の値となり、さらに電位を高くしていった場合にはプラズマ密度は若干減少するものとなった。これに対し導波管が放電容器と等電位である以外は上記と同じ条件の場合の従来の装置においては、マイクロ波の導入に際しての反射は５７０Ｗもあり、プラズマ密度は１０^１０ｃｍ^−３台程度である。
【００３６】
なお、上記では導波管１９に放電容器１１に対し正の電位が加えられた状態のものについて説明したが、逆に導波管１９に放電容器１１に対し負の電位が加えられるようにしても同様の効果が得られるものである。さらに開閉器２４を開いた状態にし、単に導波管１９が放電容器１１に対し電気絶縁された状態にした場合においても導波管１９と放電容器１１とは異なる電位を有するものとなり、放電容器１１内のプラズマ密度を高くすることができる。
【００３７】
次に、第２の実施例を図３により説明する。図３は概略構成を示す断面図である。
図３において、放電容器４１は、その下端外周にフランジ１２を備えた下開口１３を有し、上端部が上板４２で閉塞された直径１５ｃｍ、軸方向長さ１５ｃｍの略円筒状のものである。そして放電容器４１は、その内部が図示しない排気装置によって、例えば０．１Ｐａ台に減圧され、その所定の圧力が維持されるようになっており、さらに、その内部にプラズマを形成する所定のガス、例えば水素あるいは重水素ガスをガス源から導入できるよう図示しないガス導入口が設けられている。
【００３８】
また、放電容器４１の上端側を閉塞する上板４２には、その中央部分にマイクロ波導入口４３が形成されている。そして上板４２の上面には、マイクロ波導入口４３に連通するように導波管４４が取着されている。この導波管４４の上板４２への取着は、導波管４４の片端部４５に設けられたフランジ４６と上板４２の上面との間にアルミナセラミック等でなる絶縁部材４７を介して行われており、これによって放電容器４１と導波管４４とは気密に取着され、電気的に絶縁された状態になっている。
【００３９】
また導波管４４は、他端部が図示しない、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波発生源に接続されており、真空窓２２が装着され屈曲部２１が設けられた中間部を通じてマイクロ波を伝搬し、放電容器４１内に導入する。
【００４０】
さらに導波管４４は、０Ｖ〜８０Ｖに可変の電源２３に開閉器２４を介して接続され、開閉器２４を閉じることによって放電容器４１に対し正の電位が加えられるようになっている。
【００４１】
このように構成されたものでは、第１の実施例と同様に放電容器４１の内部が０．１Ｐａ台に減圧され、プラズマ形成ガスの水素ガスまたは重水素が導入された後、導波管４４を介して２．４５ＧＨｚのマイクロ波が放電容器４１内に導入される。そして放電容器４１内に放電プラズが生成され、この放電プラズマはプラズマ閉じ込め領域に閉じ込められる。このプラズマの励起した水素分子からＨ⁻が生成され、生成されたＨ⁻は電極部２９の各電極３０，３１によって加速されて外部にＨ⁻ビームとして引き出される。
【００４２】
このとき導波管４４の片端部４５内は、放電容器４１内と同じガス雰囲気となっており、またマイクロ波導入口１８の近傍領域では導波管４４が放電容器４１に対して正の電位が加えられている。そして、プラズマと放電容器４１の内壁及び導波管４４との間に形成されるイオンシースは、マイクロ波導入口４３の近傍領域では導波管４４の片端部４５内に入り込んだ形のものとなってはいない。
【００４３】
このため、本実施例においても第１の実施例と同様の作用・効果が得られることになる。
【００４４】
尚、本発明は上記の各実施例のみに限定されるものではなく、イオン源の他にマイクロ波プラズマを用いた半導体製造装置や化学処理装置などのマイクロ波プラズマ発生装置に適用されるもので、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明は、マイクロ波を導入する導波管が放電容器に対し電気絶縁された構成であり、また導波管には放電容器に対し異なる電位が与えられている構成としたことにより、マイクロ波が効率よく導入でき、高密度プラズマや大面積プラズマが生成できる等の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施例の概略構成を示す断面図である。
【図４】従来の第１の例の概略構成を示す断面図である。
【図５】図４の要部を拡大して示す断面図である。
【図６】従来の他の例の要部を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１１…放電容器
１６…絶縁部材
１８…マイクロ波導入口
１９…導波管
２３…電源
３５，３６…永久磁石

Claims

減圧された内部に所定のガスが導入されてプラズマが形成される放電容器と、この放電容器のマイクロ波導入口に片端部が取着され該放電容器内にマイクロ波を導入する導波管と、この導波管中間部の前記マイクロ波導入口から直視できない位置にマイクロ波の伝送路に交差するよう装着された真空窓と、前記放電容器内部に磁場を形成する磁場形成手段とを備え、前記放電容器内で形成されたプラズマからのイオンビームを前記真空窓とは逆の方向に導くようにしたマイクロ波プラズマ発生装置において、前記導波管には、前記放電容器に対し絶縁部材を間に設けて電気絶縁し、異なる電位が与えられていることを特徴とするマイクロ波プラズマ発生装置。
導波管には、放電容器に対し正の電位が与えられていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波プラズマ発生装置。